La cometa “filo di perle”

Nel luglio 2021 siamo a quasi trenta anni dalla storica caduta della cometa Shoemaker-Levy 9 su Giove, un evento che non ha precedenti nella storia dell’astronomia, che ha dimostrato con forza come le collisioni nell’ambito del Sistema Solare avvengano anche ai nostri giorni. Per chi, all’epoca, non ha potuto seguire direttamente l’evento ecco un riepilogo dei fatti e un cenno alla mia esperienza personale.

La scoperta

Il 23 marzo 1993, durante una sessione alla scoperta di nuovi asteroidi near-Earth, su due foto riprese con il telescopio Schmidt da 46 cm di diametro di Monte Palomar fu individuato uno strano oggetto diffuso e di forma allungata. Successive osservazioni con il Telescopio Spaziale “Hubble” (HST), permisero di stabilire che si trattava di una cometa, ma formata da ben 21 nuclei distinti, disposti in fila l’uno dietro l’altro e ciascuno con la propria coma e coda. La cometa fu battezzata Shoemaker-Levy 9 (D/1993 F2), dal nome degli scopritori (Eugene e Carolyn Shoemaker con David Levy). La SL9, per la sua struttura anomala, è nota anche come la cometa filo di perle.

Per distinguerli, i diversi nuclei cometari furono indicati con le lettere dell’alfabeto: A, B, C, D, E, F, G, H, K, L, N, P2, Q2, Q1, R, S, T, U, V e W. Le misure astrometriche mostrarono che la cometa non era in orbita attorno al Sole ma attorno a Giove, su un’ellisse a elevata eccentricità, e = 0,9986. La SL9 aveva già completato diverse orbite attorno a Giove prima di essere scoperta. Ricostruendone la traiettoria si scoprì che 8 mesi prima, l’8 luglio 1992, la SL9 era passata a soli 104.000 km dal centro di Giove, appena 32.600 km dalla sommità delle nubi e questa circostanza spiegava la stringa di nuclei: durante il flyby il nucleo originario della cometa, del diametro stimato in circa 10 km con struttura a rubble pile, era sceso sotto il limite di Roche gioviano (posto a 174.000 km dal centro di Giove), e la forza mareale esercitata del campo di gravità del gigante gassoso lo aveva frammentato in diversi blocchi con dimensioni comprese tra 2 e 4 km. Quello dell’8 luglio 1992 non era stato il primo flyby con Giove, ma certamente quello che decretò la fine della cometa. In seguito si scoprì che i frammenti, percorrendo la propria orbita giovicentrica, erano destinati a ricadere su Giove fra il 16 e il 22 luglio 1994. Questa circostanza mise in allerta la comunità dei planetologi: era la prima volta che veniva prevista, con largo anticipo, la collisione fra due corpi celesti del Sistema Solare. La SL9 è passata alla storia non per essere una cometa molto luminosa a occhio nudo (in effetti fu osservabile solo al telescopio), ma per essere la prima di cui si è osservata la caduta su un pianeta.

Figura 1 – I frammenti del nucleo della cometa SL9 ripresi attraverso un filtro rosso dal Telescopio Spaziale “Hubble” il 17 maggio 1994. Al momento dell’osservazione i 21 nuclei cometari erano dispersi su un arco di 1,1 milioni di km e si trovavano a 660 milioni di km dalla Terra (NASA/HST).

Gli impatti con Giove

Il 16 luglio 1994 alle 20:13 UT il primo frammento, quello indicato con A, cadde su Giove alla velocità di 60 km/s, seguito dall’altra ventina di nuclei (in media a 7 h di distanza l’uno dall’altro). L’ultimo nucleo, il W, cadde il 22 luglio. La sequenza d’impatti causò variazioni temporanee ben visibili nell’atmosfera del pianeta, sotto forma di grandi macchie scure che raggiunsero un diametro massimo dell’ordine di 10.000 km prima di venire fuse insieme e disperse dai venti di Giove. Non tutti i nuclei diedero luogo a macchie, alcuni sparirono nell’atmosfera di Giove senza lasciare traccia. Alla fine del luglio 2004, nell’emisfero sud di Giove alla latitudine di –44°, erano presenti 11 macchie distribuite a varie longitudini. La stessa designazione con lettere dell’alfabeto dei nuclei cometari fu mantenuta anche per le macchie.

Purtroppo le cadute avvennero nell’emisfero notturno di Giove, non visibile dalla Terra. Solo la sonda Galileo, all’epoca in viaggio verso Giove e a 1,5 UA di distanza dal pianeta, riuscì a riprendere direttamente i flash degli impatti G, H, K, L, Q1, e W. Per fortuna gli impatti avvennero vicini al terminatore mattutino e dalla Terra fu possibile osservare le plume di gas caldo, generate nella caduta e in rapida risalita verso la stratosfera di Giove, quando si proiettavano oltre il bordo. Le osservazioni furono condotte a tutte le lunghezze d’onda (dall’UV al radio), e soprattutto con filtri infrarossi centrati su una banda di assorbimento del metano (CH4), quella a 2,3 mm. Normalmente Giove è oscuro a questa lunghezza d’onda, ma le plume di gas caldo in risalita, portandosi sopra la maggior parte dello strato di metano, erano facilmente osservabili.

Figura 2 – Il fireball generato dalla caduta del frammento W della SL9 ripreso dalla sonda Galileo il 22 luglio 1994 (NASA).

Tutti gli impatti hanno riscaldato la stratosfera gioviana di diversi gradi, e l’abbondanza di ammoniaca nei siti di caduta è aumentata di 50 volte. Le plume sono salite 3000 km sopra lo strato atmosferico a 100 hPa, con velocità di espansione di 10 km/s. Subito dopo gli impatti furono osservate anche onde atmosferiche in espansione con velocità di circa 500 m/s. Dalle osservazioni spettroscopiche dell’HST sul sito G è stato stabilito che il nucleo cometario è penetrato fino a una quota atmosferica con pressione di 1000-2000 hPa, al di sotto quindi delle nubi di ammoniaca di Giove. Il materiale scuro di cui erano composte le macchie fu una sorpresa. Era un aerosol ricco di composti organici, con raggi delle particelle compresi fra 0,15 e 0,3 mm, e distribuito fra le quote con pressione fra 1 e 200 hPa. La collisione con la SL 9 iniettò del materiale nella magnetosfera che modificò l’intensità dell’aurora polare nord di Giove. Se il 17 luglio l’intensità aurorale nord era simile a quella sud, il 27 luglio era ben 5 volte più intensa e solo 10 giorni dopo l’intensità tornò normale. Le macchie scure della Shoemaker-Levy 9 nell’atmosfera di Giove erano talmente grandi e contrastate da essere ben visibili anche dalla Terra con piccoli telescopi amatoriali.

Figura 3 – Disegno di Giove eseguito alle 19:20 UT del 17 luglio 1994 con un telescopio Newton da 114 mm di diametro a 100x. Sono indicate le macchie sede degli impatti dei frammenti E (caduto circa 4 h prima), A (23 h prima) e C (12 h prima). Il diametro delle macchie è di circa 1500 km, 4500 km e 3000 km per, rispettivamente, E, A e C. Il sud celeste è in alto, l’ovest a sinistra (A. Carbognani).

Gli impatti in un piccolo telescopio

Come ho già detto le macchie scure erano ben visibili anche in un piccolo telescopio. All’epoca, per le mie osservazioni visuali, usavo un piccolo telescopio Newton da 114 mm di diametro e 900 mm di focale: uno strumento di buona qualità ottica che mi ha permesso di fare osservazioni interessanti. Dall’Italia Giove non era molto alto sull’orizzonte (circa 30°), e il seeing limitava l’ingrandimento utile a 100-150x, raramente si riusciva a sfruttare i 225x. Nel 1994 iniziai le osservazioni di Giove il 2 febbraio (l’opposizione cadeva il 30 aprile), per terminarle il 29 agosto (la congiunzione era il 17 novembre).

Le macchie degli impatti si resero visibili entro poche ore dalla caduta, e già la sera del 17 luglio potei osservare le macchie A, C ed E: erano di colore molto scuro, circolari ma al loro interno non erano di intensità uniforme. Con il trascorrere dei giorni i nuclei scuri tendevano ad espandersi (stimai una velocità di espansione di circa 15-50 m/s), e attorno ad essi si rendevano visibili anelli più chiari. Le osservazioni furono rese difficili dalle condizioni meteo, spesso le nubi coprivano Giove e la turbolenza atmosferica elevata cancellava i dettagli più fini: bisognava pazientare per diversi minuti con l’occhio all’oculare del telescopio per riuscire a percepire quel dettaglio in più che poteva fare la differenza. In assenza della fotografia digitale, per stimare visualmente le dimensioni delle macchie si potevano usare come unità di misura le dimensioni delle ombre proiettate dai satelliti di Giove oppure lo spessore delle bande del pianeta, dei veri e propri tour de force per l’occhio, con osservazioni che andavano avanti per ore.

Una caratteristica unica delle macchie scure era che si trovavano a un’altezza superiore a quella delle nubi di Giove: che fosse così era indicato dal fatto che, a differenza delle nubi gioviane, erano ben visibili anche al bordo del disco, non risentendo dell’assorbimento atmosferico al lembo. Al contrario, gli anelli esterni chiari erano visibili solo al momento del transito sul meridiano centrale. Questo indicava che gli anelli chiari si trovavano a una quota minore rispetto ai nuclei scuri. Probabilmente si trattava del materiale espulso durante l’impatto in ricaduta verso i bassi strati atmosferici. Non tutte le macchie scure mostravano la presenza di anelli chiari e alcune, dopo un certo periodo, si presentavano con nuclei d’ombra doppi, come H, L e K. Le macchie scure in espansione, interagendo con i venti di Giove iniziarono a fondersi dal mese di agosto in avanti, dando luogo a una banda temporanea. Purtroppo Giove era prossimo alla congiunzione con il Sole e gran parte dell’evoluzione di questa banda temporanea è andata persa. In un’osservazione eseguita all’alba del 13 gennaio 1995 la regione polare sud era ancora molto più scura rispetto a quella nord e di intensità paragonabile alla Banda Equatoriale Nord: gli ultimi veli dell’aerosol scuro di cui erano formate le macchie.

Figura 4 – Disegni in scala delle macchie scure generate negli impatti H, G e L, in funzione del tempo. Osservazioni eseguite con il Newton da 114 mm a 100x. I numeri indicano l’intensità del dettaglio: 0=bianco, 10=nero (A. Carbognani).

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